1986年，随在澳大利亚驻北京使馆工作的父母来到中国。20世纪90年代后期，司马优再次来到中国寻求发展。2006年，执导电视纪录片《上海新娘》，从而开启职业导演生涯。2007年，执导电视纪录片《望子成龙》。2009年，在陆川执导的战争电影《南京南京》中饰演美国记者德丁；同年，在喜剧电影《气喘吁吁》中饰演精神病人。

2010年，自编自导首部剧情长片《红灯梦》，该片是中国第一部关于成人用品商店的喜剧片，之后，该片除了入围圣保罗国际电影节，圣巴巴拉国际电影节，被英国电影学院评为“在北京拍摄的十部最佳电影”之一，更获得了2011年新加坡国际电影节最受观众欢迎大奖。2014年，在科幻电影《人鱼帝国》中饰演Papos。2010年，参演的电影《东风雨》上映。2015年，参演爱情古装电影《王朝的女人·杨贵妃》。